大空間建筑室內熱環境的數值模擬

李莉 蔣露

0 引言

隨著工業生產的持續發展和人們對舒適性要求的不斷提高,中央空調系統在大空間建筑中的應用也越來越廣泛。從保證人體舒適度和節省能耗兩方面考慮,研究大空間建筑的中央空調系統是很有必要的。

1 建筑實例概況

本文所選建筑為某工廠印刷車間,位于河北保定。夏季室外計算干球溫度34.8℃,濕球溫度26.8℃,室外平均風速2.1 m/s,大氣壓力100.26 Pa;室內設計干球溫度 25℃,相對濕度50%;冬季室外計算干球溫度-9℃,冬季室外最冷月相對濕度45%,室外平均風速3 m/s,大氣壓力102.04 kPa,室內設計干球溫度22℃,相對濕度50%[2]。房間長33.0 m,寬9.0 m,吊頂高度7.8 m,建筑面積為297 m2。

2 數值模擬

2.1 物理模型

根據廠房的建筑尺寸建立三維立體模型,以東、高度、南作為坐標的x,y,z方向。吊頂布置兩排風口,北側為送風口,南側為排風口,且送、排風口均采用散流器;北墻采用條形風口側壁送風,風口中心距地面高度為4.0 m,南墻采用條形風口側壁排風,風口中心距地面高度為0.4 m;在室內南側放置了一臺全自動印刷機。房間西墻、南墻為內墻,其他墻為外墻,所有門均為內門。所建立廠房的物理模型如圖1所示。

本文計算對象為形狀較復雜的建筑空間,在模型的網格劃分中,對模型的送、排風口進行了單獨劃分,同時對整體模型進行區域劃分。經統計,模型約劃分為264 520個網格。

2.2 邊界條件

房間內各模型的邊界條件類型如表1所示。

3 兩種空調方案下室內熱環境的數值模擬及結果分析

3.1 全室性空調工況室內熱環境的數值模擬

采用該廠房原有的氣流組織方式進行常溫送風全室性空調工況的數值模擬。

表1 邊界條件

該建筑原設計采用的是常溫全室性全新風空調系統,室內空調設計溫度(24±2)℃,相對濕度(50±10)%,夏季送風溫度為14℃,室內設計冷負荷為90 kW,冷負荷指標為303 W/m2,總送風量為22 000 m3/h。頂送、頂排風散流器的尺寸均為360 mm×360 mm,分別為8個;單側條形送風口尺寸為 1 500×40,共15個,單側排風口尺寸為1 500×60,共15個。吊頂送(排)風承擔總送(排)風量的30%,側送(排)承擔總送(排)風量的 70%。

根據該廠房的建筑尺寸,x=10.5 m和z=2.5 m為人員的工作區,因此取 x=10.5 m和z=2.5 m為分析截面。模擬結果如圖2所示。

從圖2a),圖2b)可以看出,當采用全室性空調時,空調區域的溫度在24℃～26℃,氣流速度小于0.3 m/s,根據模擬結果圖進行取值,在人員工作區域取點計算等效吹風感溫度。經計算,kt=0.040 3,kv=0.319 2,ˉF=0.94,ADPI=82%＞80%,此時室內的熱環境滿足熱舒適要求。局部工作區溫度為24℃時,風速為0.3 m/s,等效吹風感溫度為-1.8℃,會讓人有吹冷風的感覺。圖2c)顯示,當側送風口以水平射流進入房間后,由于射流、房間上部風口氣流的卷吸作用和設備的阻擋等因素,使得室內產生了上、下兩個比較明顯的旋渦,旋渦的存在雖在一定程度上有利于室內空氣的流動,但不利于室內污染物的直接排除。

3.2 分層空調工況室內熱環境的數值模擬

在大空間建筑空調設計中,為了節省初投資和運行能耗,一般采用分層空調的設計方案。

本文在對所選定的廠房進行常溫送風分層空調系統模擬時,以側墻條形風口中心標高4.0 m作為分層空調的垂直分界面,僅對4.0 m以下的區域進行空調,而對4.0 m以上的區域設置排風。由文獻[2]可知,當采用分層空調時,夏季室內冷負荷減少系數可取30%進行計算。采用與全室性空調工況相同的送風溫差,則總送風量降為15 400 m3/h,廠房下部南墻設單側排風口,排風量為10 500 m3/h(約占總排風量的70%),頂部兩排散流器均為排風口,排風量為5 200 m3/h(約占總排風量的30%),這時側送風口(條形風口)尺寸為1 600 mm×40 mm,共15個,下側排風口(條形風口)尺寸為 1 500 mm×40 mm,共 15個,上排風口(散流器)的尺寸為150 mm×150 mm,共16個,模擬結果如圖3所示。

從圖3可以看出,當采用常溫送風分層空調時,房間下部空調區域的溫度在24℃～26℃,氣流速度小于0.3 m/s,經計算,ADPI=83%,kt=0.041 9,kv=0.320 4,ˉF=0.93,滿足 舒適 要求,比全室性空調系統工作區的溫度場分布稍好,速度場分布稍差,但相差都不多。上部非空調區域只排風不空調,空氣溫度與常溫送風時相比要高出2℃～3℃左右,夏季對下部空調區域沒有影響;當采用分層空調工況時,在滿足工作區熱舒適性的情況下減少了30%的冷負荷,進而可大大減小系統的初投資和運行費用,所以在大空間建筑設計中應廣泛采用分層空調方式。

4 結語

對于大空間建筑,當采用全室性空調工況和分層空調工況進行數值模擬時,室內空調區域溫度均在24℃～26℃,氣流速度均小于0.3 m/s,ADPI均大于80%;兩種空調工況室內熱環境都能滿足設計要求,但分層空調系統工作區域的溫度分布比全室性空調系統工作區域的溫度分布稍好。當采用分層空調時,室內設計冷負荷減少30%,室內熱環境仍能滿足設計要求,因此文獻[2]提到的分層空調可節省30%的設計冷負荷是合理的。原因在于分層空調僅對下部區域進行空調,而對上部非空調區域只通風的空調方式,未考慮上部非空調區域圍護結構、燈具及吊頂等形成的冷負荷,可實現制冷空調系統的節能。因此,分層空調是一種有效的節能措施,應當廣泛應用于大空間建筑的空調系統設計中。

[1] 何光華,金 濤.大面積廠房空調技術現狀與展望[J].工程建設與設計,1999(3):16-18.

[2] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1993:829-886.

[3] 黃雪蓮,戴有為,梅啟元.空調房間氣流組織的數值模擬[J].南京理工大學學報,2003,8(4):355-358.

[4] 王福軍.計算流體力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[5] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,1988.